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引力波

1915年,爱因斯坦提出了著名的广义相对论,告诉我们引力不过是时空扭曲的结果,一个物体的质量越大,形成的时空曲率就越大。当这个物体在时空中运动时,就会不断地改变瞬时位置的时空曲率,从而形成时空的涟漪,以光速传播到宇宙空间。

理论上来说,任何有质量的物体都会引起时空涟漪。但从实际上讲,即便是极其巨大的天体,引起的时空涟漪都非常微弱。甚至有的时候,需要两种巨大的天体发生碰撞所产生的波动,才能被我们发现。

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(图片说明:爱因斯坦预言了引力波)

在解释引力波的时候,我喜欢举一个例子:一个湖的中心泊着两条小船,由于湖太大,岸边的人是看不见船的,也很难看见船在水面压下去的凹陷。但是,当这两艘小船撞在一起时,就会掀起比较大的涟漪,这种涟漪传播到岸边,虽然也已经极其微弱了,但在足够精确的设备面前,还是可以被观测到。

这就是引力波,天体本身导致的时空扭曲,如果没有物质围绕它公转,我们就很难观测到。相比之下,如果是两个天体碰撞产生的时空涟漪,还是有机会被我们捕获的。不过,即使是这样的情况下,天体本身也要足够大,也就是需要两颗致密星,即白矮星、中子星或者黑洞之间的碰撞。

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(图片说明:引力波动画)

宇宙时空的涟漪

2015年9月14日,科学家们首次在宇宙中探测到引力波信号。他们非常兴奋,随即进行了分析。结果发现:这个引力波来自于13亿光年外,也就是说,它形成于13亿年前。产生这个引力波的是两个黑洞,它们在茫茫宇宙中相遇,在漫长的岁月里相互旋转,螺旋式靠近,最终碰撞在一起,形成了强烈的时空涟漪,最终被我们观测到,并被命名为GW150914。

在爱因斯坦提出广义相对论的整整100年后,关于引力波的预言终于得到了证实。2016年2月,科学家们正式对外宣布了这一重大发现。自此以后,陆续又有许多引力波事件被发现,其中不仅包含了双黑洞并合,还有双中子星的碰撞、黑洞吞噬中子星、甚至还有双白矮星的碰撞。

(图片说明:双黑洞并合)

引力波的发现,可以说是为天体物理学研究打开了一扇新的大门。致密星是宇宙中最极端的天体,它们之间的碰撞是宇宙中最极端的事件,而引力波就能向我们展示这里蕴藏的秘密。

而且,引力波的一些特性非常重要,是它成为人类观测宇宙的重要工具的关键原因。它不需要周围有任何物质,所以有些不会释放电磁波的现象只能通过引力波来研究;而且引力波几乎不会被天体阻挡,所以可以穿越茫茫的宇宙,给我们传递信息。

可以说在今天,引力波是研究宇宙天体的最重要工具之一。为了更好地揭示宇宙的秘密,世界各国竞相发展引力波探测技术。那么,人类到底是如何探测引力波的呢?

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(图片说明:激光干涉仪引力波天文台)

引力波探测

说起来,引力波探测的原理并不难理解。

首先,我们需要建造两个长度相等、相互垂直、呈L形放置的管道,并在交叉点放置一台激光器。发射出来的激光通过分光器射到两个管道的尽头,在这里反射回来,重新汇聚并发生干涉。

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(图片说明:意大利的室女座干涉仪)

如果没有引力波,那么它们传播的距离就是相等的,干涉后的结果是相互抵消。如果有引力波经过,那么就会导致时空发生扭曲,两束激光经过的长度就不相等了,这就会导致干涉图样发生变化。通过对干涉图样的分析,就可以发现引力波,并获取该事件的一些细节。

目前世界上最先进的引力波实验有两个,一个是位于美国的激光干涉仪引力波天文台(LIGO)并在升级后改造为Advanced LIGO,简称ALIGO;另一个是位于意大利的室女座干涉仪(Virgo)。人类首次发现的引力波事件GW150914,就是这两个实验团队共同发现的。

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(图片说明:激光干涉空间天线)

除此之外,美国还在积极推进天基引力波实验的发展,那就是激光干涉空间天线(LISA)。根据美国宇航局的消息,LISA的组建预计在2034年完成。

考虑到引力波探测如此重要,逐渐成长为世界天文强国的我们自然也不甘落后,提出了自己的引力波探测计划。虽然目前还没有完全建成,但未来将会和其他国家分庭抗礼。

我国的引力波探测计划

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(图片说明:国家航天局副局长吴艳华与中山大学校长、国家航天局引力波研究中心主任罗俊院士为中心揭牌)

实际上,我国不止有一个引力波探测计划。

太极计划

早在2008年,中科院力学所国家微重力实验室胡文瑞院士就号召成立了中科院空间引力波探测工作组。2016年,他和吴岳良院士又支持了空间太极计划,计划在2033年的时候发射三颗卫星来进行引力波探测,而且在2019年8月31日就已经发射了“太极一号”卫星。

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(图片说明:太极计划示意图)

阿里实验计划

中科院高能物理研究所还提出过一个阿里实验计划,旨在通过建设与西藏阿里地区的一台射电望远镜实现对引力波的探测,目前该计划还在预研阶段。

天琴计划

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(图片说明:天琴计划超静实验室)

而这一次在中山大学珠海校区成立的国家航天局引力波研究中心,就是由中山大学校长罗俊在2014年提出的天琴计划——不得不说,光是这个名字就已经相当漂亮了,致密星真的就像是琴弦一样在时空中波动涟漪,天琴两个字又颇有中国古风,这名字简直绝了。

说起来,和太极计划以及美国的LISA一样,天琴计划也是天基引力波探测实验。根据计划,我们需要发射三颗天琴卫星,在距离地表10万公里的高空组建一个等边三角形。

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(图片说明:天琴一号卫星)

2015年,天琴计划在中山大学被正式发起,彼时距离人类首次接收到引力波还有2个月。在2019年12月20日,试验星“天琴一号”正式发射升空。2020年6月,位于中山大学珠海校区内“天琴计划”山洞长达1108米的超静实验室隧道全线贯通,该项目的科研设备都将集中在这里,科学家们会在这里进行数据分析。

根据计划,“天琴二号”卫星将在2025年发射升空,天琴计划正式完成组网的时间大约在2035年,和美国的LISA差不多。但是从探测波段来讲,它是LISA的10倍左右。它可以持续观测低频段的连续型引力波进行探测,这是目前的LIGO和未来的LISA力所不能及的。

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(图片说明:天琴卫星)

总之,到天琴计划组建完成的那一天,它很有可能将是当时世界上最强大的引力波探测天文台。相信到那个时候,我国的天文学,也已经走在世界的前列了。

原文链接:http://www.toutiao.com/a7012361091191734791

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